Πόσα ηλεκτρικά φορτία έχει ένα νανοσωματίδιο πλατίνας; Χάρη σε μια βελτιωμένη τεχνική ολογραφίας ηλεκτρονίων υψηλής ακρίβειας, είναι πλέον δυνατό να απαντηθεί αυτή η ερώτηση μετρώντας τα φορτία απευθείας, μέχρι το επίπεδο ενός μόνο ηλεκτρονίου. Η τεχνική, που αναπτύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Kyushu και της Hitachi Ltd στην Ιαπωνία, θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να δημιουργήσουν πιο αποτελεσματικούς καταλύτες.
Η αφαίρεση μόνο ενός ή δύο αρνητικών φορτίων από ένα νανοσωματίδιο μπορεί να αλλάξει σημαντικά τη συμπεριφορά του ως καταλύτη. Για αυτόν τον λόγο, ο προσδιορισμός της κατάστασης φόρτισης μεμονωμένων νανοσωματιδίων σε μια επιφάνεια μεταλλικού οξειδίου είναι μια σημαντική εργασία για τη μηχανική καταλυτών, εξηγεί ο επικεφαλής της ομάδας Γιασουκάζου Μουρακάμι, επιστήμονας κβαντικών υλικών στο Kyushu. Το πρόβλημα είναι ότι οι τρέχουσες τεχνικές για να γίνει αυτό, όπως η φασματοσκοπία φωτοεκπομπής ακτίνων Χ, παρέχουν μόνο πληροφορίες φορτίου με μέσο όρο για πολλά νανοσωματίδια.
Ηλεκτρονική ολογραφία
Στη νέα εργασία, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρονιακή ολογραφία (ένας τύπος ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης) για να προσδιορίσουν άμεσα το ηλεκτροστατικό δυναμικό που δημιουργείται από νανοσωματίδια πλατίνας σε μια επιφάνεια οξειδίου του τιτανίου - ένας συνδυασμός υλικών που χρησιμοποιούνται συχνά ως καταλύτης για την επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων . Στην ολογραφία ηλεκτρονίων, ένα ηλεκτρόνιο που αλληλεπιδρά με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία παράγει μια μετατόπιση φάσης στην κυματοσυνάρτηση του ηλεκτρονίου που μπορεί στη συνέχεια να αναγνωριστεί συγκρίνοντάς το με ένα ηλεκτρόνιο αναφοράς που δεν έχει αλληλεπιδράσει με ένα πεδίο.
Μετρώντας τα πεδία γύρω από τα νανοσωματίδια πλατίνας, ο Μουρακάμι και οι συνεργάτες του προσδιόρισαν τον αριθμό των «επιπλέον» ή «λειπόντων» ηλεκτρονίων που σχετίζονται με αυτά. Οι μετρήσεις τους έδειξαν ότι ένα νανοσωματίδιο θα μπορούσε να κερδίσει ή να χάσει οπουδήποτε μεταξύ ενός και έξι ηλεκτρονίων.
Οι ερευνητές λένε ότι ο μηχανισμός πίσω από τη φόρτιση της πλατίνας περιλαμβάνει μια διαφορά στις λειτουργίες εργασίας (η ενέργεια που απαιτείται για την πλήρη απόσυρση ενός ηλεκτρονίου από μια μεταλλική επιφάνεια) της πλατίνας και του διοξειδίου του τιτανίου (TiO2). Αυτή η διαφορά εξαρτάται από τον προσανατολισμό των νανοσωματιδίων στο TiO2 και η παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος.
Μείωση μηχανικού και ηλεκτρικού θορύβου
Κεντρικό στοιχείο στα επιτεύγματα των ερευνητών ήταν μια σειρά βελτιώσεων που έγιναν σε ένα μικροσκόπιο ολογραφίας ατομικής ανάλυσης 1.2 MV που αναπτύχθηκε και λειτουργούσε από την Hitachi. Αυτό το όργανο μειώνει τον μηχανικό και ηλεκτρικό θόρυβο και στη συνέχεια επεξεργάζεται τα δεδομένα για να απομακρύνει περαιτέρω το σήμα από τον θόρυβο, εξηγεί ο Murakami.
Η κβαντική ολογραφία απεικονίζει αντικείμενα με μη ανιχνεύσιμο φως
«Η ολογραφία ηλεκτρονίων υψηλής ακρίβειας θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε μελέτες αιχμής στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης, την ανόργανη χημεία, συμπεριλαμβανομένης της κατάλυσης, των συσκευών spintronic/ημιαγωγών, των νέων τύπων μπαταριών και άλλων θεμάτων στα οποία είναι απαραίτητη μια ολοκληρωμένη ανάλυση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου», λέει Κόσμος Φυσικής.
Σε αυτή τη μελέτη, η οποία αναλύεται στο Επιστήμη, οι ερευνητές μέτρησαν το φορτίο σε μεμονωμένα νανοσωματίδια σε κενό. Ωστόσο, στο μέλλον ελπίζουν να επαναλάβουν τα πειράματά τους σε αέριο περιβάλλον. «Τέτοιες μελέτες θα αντικατοπτρίζουν τις συνθήκες υπό τις οποίες χρησιμοποιούνται οι καταλύτες εργασίας», λέει ο Μουρακάμι.
